Modelado 0D/1D del comportamiento termo-hidráulico de pilas de combustible

Abstract

[ES] La situación energética actual se basa en un modelo insostenible desde los puntos de vista económico y medioambiental. La tecnología de las pilas de combustible ofrece la posibilidad de disponer de energía de manera eficiente, limpia y abundante, ya que el hidrógeno que utilizan para funcionar se puede obtener de numerosas fuentes las cuales son mejores desde el punto de vista económico y medioambiental. Aunque existen numerosos tipos distintos de pilas de combustible, las de membrana de intercambio protónico (PEM) son las que ofrecen mejores características para su utilización en aplicaciones portátiles y de automoción. A pesar de que esta tecnología se conoce desde finales del siglo XIX, no fue hasta finales del siglo pasado cuando se empezó a estudiar y desarrollar profundamente. Se han realizado grandes avances, pero todavía es posible mejorar y optimizar el funcionamiento de las pilas. En concreto, la gestión térmica de las distintas celdas que componen una pila es uno de los escollos que deben ser superados para obtener mejores rendimientos durante el funcionamiento. Este ha sido el punto de partida del presente trabajo, donde además de dar explicaciones teóricas sobre el funcionamiento de las pilas de combustible y las diferentes formas de transferencia de calor presentes en las mismas, se desarrolló un modelo nodal térmico para observar su comportamiento y la evolución de las temperaturas de la pila. El modelo se encarga de resolver un balance térmico de la pila de combustible a nivel de capa, es decir, resuelve la primera ecuación de la termodinámica en cada uno de los elementos que componen una celda de una pila tipo PEM. Adicionalmente, la resolución del sistema de ecuaciones diferenciales se hace matricialmente haciendo uso del método de diferencias finitas, ya que facilita y agiliza el cálculo. Seguidamente, una vez validado el modelo térmico de la pila comparando los resultados del mismo con los resultados de la bibliografía, se usó una herramienta desarrollada por el CMT (motores térmicos), llamada VEMOD a través de la cual se modeló un circuito hidráulico para estudiar estrategias de refrigeración, lo cual es de vital importancia para el correcto funcionamiento de la pila. Para hacer este estudio, se modeló la pila de combustible del vehículo Toyota Mirai y se simuló para un ciclo de conducción RDE. Finalmente, la estrategia planteada para refrigerar la pila de combustible fue exitosa, ya que con ella se pueden mantener la temperatura de la pila en los rangos óptimos de operación.

[EN] The current energetic situation is based on an unsustainable model from an economic and environmental point of view. Fuel cell technology offers the possibility of getting energy in an efficient, clean and abundant way, since the hydrogen that it is used by it to function can be obtained from many sources. Although there are many different types of fuel cells, proton exchange membrane (PEM) cells offer the greatest characteristics for use in portable and automotive applications. Although this technology is known since the end of the 19th century, it was not until the end of the last century that it began to be deeply studied and developed. Great advances have been made, but it is still possible to improve and optimize the performance of batteries. Specifically, the thermal management of the different cells that integrate a battery is one of the obstacles that must be overcome in order to obtain better performance during operation. This has been the starting point of the present work, where in addition to giving theoretical explanations about the operation of fuel cells and the different forms of heat transfer which occurs in them, a thermal nodal model was developed to observe the thermal behavior and the evolution of cell temperatures. For this, the MATLAB software is used, which is very useful for this type of experiment. The model is in charge of solving a thermal balance of the fuel cell at the layer level, that is, it solves the first thermodynamic equation in each of the elements that integrate a PEM fuel cell. In addition, the resolution of the system of differential equations is done in a matrix using the finite difference method, since it facilitates and speeds up the operations. Next, once the model created with the correspondent bibliography is validated, a tool called VEMOD which was developed by the CMT (thermal engines) was used in order to shape a hydraulic circuit to study cooling strategies, which is of vital importance for the correct operation of the battery. To do this study, the fuel cell of the Toyota Mirai vehicle was modeled and simulated for an RDE driving cycle. Finally, the strategy proposed to cool the fuel cell was successful, since with it the cell temperature can be maintained in the optimal operating ranges.